第1章電路模型和電路定律1

1、目目 錄錄1、電路模型和電路定律、電路模型和電路定律4、電路定理、電路定理9、正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析、正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析2、電阻電路的等效變換、電阻電路的等效變換3、電阻電路的一般分析、電阻電路的一般分析5、含有運算放大器的電阻電路、含有運算放大器的電阻電路6、儲能元件、儲能元件7、一階電路和二階電路的時域分析、一階電路和二階電路的時域分析8、相量法、相量法10、含有耦合電感的電路、含有耦合電感的電路13、非正弦周期電流電路和信號的頻譜、非正弦周期電流電路和信號的頻譜11、電路的頻率響應、電路的頻率響應12、三相電路、三相電路14、線性動態(tài)電路的復頻域分析、線性動態(tài)電路的復頻域分析15、電路方程的

2、矩陣形式、電路方程的矩陣形式16、二端口網(wǎng)絡、二端口網(wǎng)絡17、非線性電路、非線性電路18、均勻傳輸線、均勻傳輸線第第1 1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律電路和電路模型電路和電路模型1.1電壓源和電流源電壓源和電流源1.5電功率和能量電功率和能量1.3受控電源受控電源1.6基爾霍夫定律基爾霍夫定律1.7本章內(nèi)容本章內(nèi)容電阻元件特性電阻元件特性1.41.2電、電物理量及其參考電、電物理量及其參考方向方向1. 1. 電壓、電流的參考方向電壓、電流的參考方向3. 3. 基爾霍夫定律基爾霍夫定律l 本章本章重點：重點：2. 2. 電阻元件和電源元件的特性電阻元件和電源元件的特性l 本章本章作

3、業(yè)：作業(yè)：P25 1-1P25 1-1、1-31-3、1-41-4、1-61-6、1-71-7、1-101-10、 1-121-12、1-131-13、1-161-16、1-171-171.1 1.1 電路和電路模型電路和電路模型1. 1. 電路電路功能功能a a 能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換；能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換；b b 信息的傳遞、控制與處理。信息的傳遞、控制與處理。建立在同一電路理論基礎上。建立在同一電路理論基礎上。由電工設備和電氣器件按預期由電工設備和電氣器件按預期目的連接構(gòu)成的電流的通路。目的連接構(gòu)成的電流的通路。特性特性定義定義功能、結(jié)構(gòu)、用途、組成等。功能、結(jié)構(gòu)、用途、組成等。分類分

4、類通路、斷通路、斷( (開開) )路、短路三種。路、短路三種。狀態(tài)狀態(tài)2. 2. 電路模型電路模型LR電路圖電路圖l理想電路元件理想電路元件電路中具有某種確定電磁性能的理電路中具有某種確定電磁性能的理想元件。想元件。l電路模型電路模型SsUsR10BASE-T wall plate導線導線電源電源開關開關燈泡燈泡LRsUSl實際電路及器件實際電路及器件電路由電源、負載、控制器件、連電路由電源、負載、控制器件、連接導線組成，器件具有復合電磁性接導線組成，器件具有復合電磁性質(zhì)。質(zhì)。由理想電路元件組合構(gòu)成的反映實由理想電路元件組合構(gòu)成的反映實際電路器件主要電磁性質(zhì)的電路。際電路器件主要電磁性質(zhì)的電路

5、。5種基本的理想電路元件：種基本的理想電路元件：電阻元件：電阻元件：表示消耗電能的元件。表示消耗電能的元件。電感元件：電感元件：表示產(chǎn)生磁場，儲存磁場能量的元件。表示產(chǎn)生磁場，儲存磁場能量的元件。電容元件：電容元件：表示產(chǎn)生電場，儲存電場能量的元件。表示產(chǎn)生電場，儲存電場能量的元件。電壓源和電流源：電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成 電能的元件。電能的元件。l 基本理想電路元件有三個特征：基本理想電路元件有三個特征： （a a）只有兩個端子；只有兩個端子； （b b）可以用電壓或電流按數(shù)學方式描述；可以用電壓或電流按數(shù)學方式描述； （c c）不能被分解為其他元

6、件。不能被分解為其他元件。注意 具有相同的主要電磁性能的實際電路部件，具有相同的主要電磁性能的實際電路部件， 在一定條件下可用同一電路模型表示；在一定條件下可用同一電路模型表示； 同一實際電路部件在不同的應用條件下，其同一實際電路部件在不同的應用條件下，其電路模型可以有不同的形式。電路模型可以有不同的形式。例例電感線圈的電路模型電感線圈的電路模型1.2 1.2 電、電物理量及其參考方向電、電物理量及其參考方向1.1.電的定義電的定義2.2.電物理量電物理量3.3.電路中的參考方向電路中的參考方向 電路中的主要物理量有電壓、電流、電動勢、電路中的主要物理量有電壓、電流、電動勢、電磁能量、電功率等

7、。在線性電路分析中人們主要電磁能量、電功率等。在線性電路分析中人們主要關心的物理量是電流、電壓、功率和能量轉(zhuǎn)換。關心的物理量是電流、電壓、功率和能量轉(zhuǎn)換。電場中，帶電粒子有規(guī)則的定向運動。電場中，帶電粒子有規(guī)則的定向運動。為分析問題方便起見，對相關電量人為假設的一個方向。為分析問題方便起見，對相關電量人為假設的一個方向。4.4.電流的參考方向電流的參考方向tqtqtitddlim)(0defl電流電流l電流強度電流強度帶電粒子有規(guī)則的定向運動帶電粒子有規(guī)則的定向運動單位時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷量單位時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷量l單位單位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（

8、安培）、（安培）、kA、mA、A 規(guī)定：正電荷的運動方向為電流的實際方向。規(guī)定：正電荷的運動方向為電流的實際方向。實際上實際上，電流在元件電流在元件( (導線導線) )中流動的方向只有兩中流動的方向只有兩 種可能種可能: : AB 對于復雜電路或電路中的電流隨時間變化時，電對于復雜電路或電路中的電流隨時間變化時，電流的實際方向往往很難事先判斷。流的實際方向往往很難事先判斷。問題l方向方向l參考方向參考方向電流是有大小、方向電流是有大小、方向( (正負正負) )的物理量的物理量任意假定一個正電荷運動的方向任意假定一個正電荷運動的方向即為電流的參考方向。即為電流的參考方向。i 0i 0參考方向參考

9、方向u+參考方向參考方向u+ 0 吸收正功率吸收正功率 ( (實際吸收實際吸收) ) 負載負載P = ui 表示元件發(fā)出的功率表示元件發(fā)出的功率P0 發(fā)出正功率發(fā)出正功率 ( (實際發(fā)出實際發(fā)出) ) 電源電源P0 發(fā)出負功率發(fā)出負功率 ( (實際吸收實際吸收) ) 負載負載l u, i 取非取非關聯(lián)參考方向關聯(lián)參考方向+ +- -iu+ +- -iuP0 吸收正功率吸收正功率( (實際吸收實際吸收) ) 負載負載P = ui 表示元件發(fā)出的功率表示元件發(fā)出的功率P0 發(fā)出正功率發(fā)出正功率( (實際發(fā)出實際發(fā)出) ) 電源電源P0 發(fā)出負功率發(fā)出負功率( (實際吸收實際吸收) ) 負載負載u,

10、 i 取非取非關聯(lián)參考方向關聯(lián)參考方向P0 吸收負功率吸收負功率( (實際發(fā)出實際發(fā)出) ) 電源電源思考u, i 取取關聯(lián)參考方向關聯(lián)參考方向P=ui 表表示元件的功率示元件的功率P = ui 表示元件的功率表示元件的功率u, i 取非取非關聯(lián)參考方向關聯(lián)參考方向P0 發(fā)出負功率發(fā)出負功率( (實際吸收實際吸收) ) 負載負載例例 求圖示電路中各求圖示電路中各方框所代表的元件吸方框所代表的元件吸收或產(chǎn)生的功率。收或產(chǎn)生的功率。已知： U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U4= -4V,U5=7V, U6= -3V，I1=2A, I2=1A,，I3= -1A 564123I2I3I1+

11、U6U5U4U3U2U1解解對一完整的電路，滿足：對一完整的電路，滿足： P發(fā)發(fā) P吸吸 564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1要點（發(fā)發(fā)出出）W221111IUP（發(fā)出）（發(fā)出）W62)3(122IUP（吸收）（吸收）W1628133IUP（吸吸收收）W3) 1()3(366IUP（發(fā)出）（發(fā)出）W7) 1(7355IUP（發(fā)出）（發(fā)出）W41)4(244IUP1.4 1.4 電阻元件特性電阻元件特性2.2.線性時不變電阻元件線性時不變電阻元件l 電路符號電路符號R電阻元件電阻元件對電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可對電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可用用ui平面上的一條曲線來描述：平面上的

12、一條曲線來描述：0),(iuf任何時刻端電壓與電流成正比的電阻元件。任何時刻端電壓與電流成正比的電阻元件。1.1.定義定義伏安伏安特性特性iu0l ui 關系關系R 稱為電阻，單位：稱為電阻，單位： (Ohm)GuRuiiuR l 單位單位G 稱為電導，單位稱為電導，單位：S (Siemens) Riu 伏安特性為一條伏安特性為一條過原點的直線。過原點的直線。ui0Rui+u、i 取關聯(lián)參考方向取關聯(lián)參考方向 如電阻上的電壓與電流參考方向非關如電阻上的電壓與電流參考方向非關聯(lián)，公式中應冠以負號；聯(lián)，公式中應冠以負號； 說明線性電阻是無記憶、雙向性的元說明線性電阻是無記憶、雙向性的元件。件。 只

13、適用于線性電阻只適用于線性電阻( ( R 為常數(shù)為常數(shù)）；）；非關聯(lián)參考方向時：非關聯(lián)參考方向時：u R i i G u注意：注意： 公式和參考方向必須配套使用！公式和參考方向必須配套使用！要點Rui-+3.3.功率和能量功率和能量電阻元件在任何時刻總是消耗功率的。電阻元件在任何時刻總是消耗功率的。p -ui -( -Ri ) i i2 R u2/ Rp u i i2R u2 / Rl 功率功率Rui+ +- -表明Rui- -+ +ui從從 t0 到到 t 電阻消耗的能量：電阻消耗的能量：ttttRuipW00dd4.4.電阻的開路與短路電阻的開路與短路l 能量能量l 短路短路0 uiGor

14、 R 0l 開路開路suui 00 Gor RuiRiu+u+i00實際電阻性器件實際電阻性器件電熱元件電熱元件 1.5 1.5 電壓源和電流源電壓源和電流源l電路符號電路符號1.1.理想電壓源理想電壓源l定義定義其兩端電壓總能保持定值或一定其兩端電壓總能保持定值或一定的時間函數(shù)，其值與流過它的電的時間函數(shù)，其值與流過它的電流流 i 無關的元件叫理想電壓源。無關的元件叫理想電壓源。i+_usRsus+i 電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無關；與流經(jīng)電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無關；與流經(jīng)它的電流方向、大小無關。它的電流方向、大小無關。 通過電壓源的電流由電源及外電通過電壓源的電流由

15、電源及外電路共同決定。路共同決定。l理想電壓源的電壓、電流關系理想電壓源的電壓、電流關系直流電壓源直流電壓源的伏安關系的伏安關系例例-+SuRi外電路外電路RuiS)( 0Ri)0( Ri電壓源不能短路！電壓源不能短路！ui0內(nèi)電路內(nèi)電路Sul電壓源的功率電壓源的功率ius+_iuPS0 iuPS發(fā)出功率，起電源作用發(fā)出功率，起電源作用 電流（正電荷）由低電位向高電電流（正電荷）由低電位向高電位移動，外力克服電場力作功，電源發(fā)出功位移動，外力克服電場力作功，電源發(fā)出功率。率。物理意義：物理意義：i物理意義：物理意義：電場力做功，電源吸收功率電場力做功，電源吸收功率0 iuPS吸收功率，起負載作

16、用吸收功率，起負載作用us+_例例計算圖示電路各元件的功率。計算圖示電路各元件的功率。解解V5)510(RuA155RuiRW5152 RiPRW1011010iuPSVW5155iuPSV發(fā)出發(fā)出吸收吸收吸收吸收滿足滿足： P發(fā)發(fā) P吸吸 5Ri+_Ru+_10V5V-+其輸出電流總能保持定值或一定的其輸出電流總能保持定值或一定的時間函數(shù)，其值與它的兩端電壓時間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u 無關的元件叫理想電流源。無關的元件叫理想電流源。l 電路符號電路符號2.2.理想電流源理想電流源l 定義定義l 理想電流源的電壓、電流關系理想電流源的電壓、電流關系 電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路

17、無電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無關；與它兩端電壓方向、大小無關。關；與它兩端電壓方向、大小無關。u+_isRsu+is 電流源兩端的電壓由電電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定。源及外電路共同決定。直流電流源的直流電流源的伏安關系伏安關系ui0例例Ru-+Si外電路外電路SRiu )0( 0Ru)( Ru電流源不能開路！電流源不能開路！ 可由穩(wěn)流電子設備產(chǎn)生，如晶體管的集電極電流與負可由穩(wěn)流電子設備產(chǎn)生，如晶體管的集電極電流與負載無關；光電池在一定光線照射下光電子被激發(fā)產(chǎn)生一載無關；光電池在一定光線照射下光電子被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等。定值的電流等。實際電流源的產(chǎn)生：實際電流源的

18、產(chǎn)生：l 電流源的功率電流源的功率SuiP發(fā)出功率，起電源作用發(fā)出功率，起電源作用0SuiP吸收功率，起負載作用吸收功率，起負載作用0SuiPu+_iu+_i例例計算圖示電路各元件的功率計算圖示電路各元件的功率解：解：2A siiW10522uiiuPSAW10)2(55iuPSV發(fā)出發(fā)出吸收吸收iu2A+_5V-+滿足滿足： P發(fā)發(fā) P吸吸 參考方向如圖示。實際電源實際電源干電池鈕扣電池1. 1. 干電池和鈕扣電池（化學電源）干電池和鈕扣電池（化學電源） 干電池電動勢干電池電動勢1.5V，僅取決于（糊狀）化學材料，其大小決定儲存，僅取決于（糊狀）化學材料，其大小決定儲存的能量，化學反應不可逆

19、。的能量，化學反應不可逆。鈕扣電池電動勢鈕扣電池電動勢1.35V V，用固體化學材料，化學反應不可逆。，用固體化學材料，化學反應不可逆。氫氧燃料電池示意圖2. 2. 燃料電池（化學電源）燃料電池（化學電源） 電池電動勢電池電動勢1.23V。以氫、氧。以氫、氧作為燃料。約作為燃料。約40-45%的化學能轉(zhuǎn)的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。實驗變?yōu)殡娔?。實驗階段加燃料可繼階段加燃料可繼續(xù)工作。續(xù)工作。 3. 3. 太陽能電池（光能電源）太陽能電池（光能電源） 一塊太陽能電池電動勢一塊太陽能電池電動勢0.6V。太陽光照射到。太陽光照射到 P-N 結(jié)結(jié)上，形成一個從上，形成一個從N區(qū)流向區(qū)流向P區(qū)的電流。約區(qū)的電流

20、。約11%的光能轉(zhuǎn)變?yōu)榈墓饽苻D(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，故常用太陽能電池板。電能，故常用太陽能電池板?一個一個50cm2太陽能電池的電動勢太陽能電池的電動勢0.6V，電流電流0.1A。 太陽能電池示意圖太陽能電池板太陽能電池板蓄電池示意圖4. 4. 蓄電池（化學電源）蓄電池（化學電源） 電池電動勢電池電動勢2V。使用時，電池放電，當電解液濃度小。使用時，電池放電，當電解液濃度小于一定值時，電動勢低于于一定值時，電動勢低于2V，常要充電，化學反應可逆。，常要充電，化學反應可逆。直流穩(wěn)壓源直流穩(wěn)壓源變頻器變頻器頻率計頻率計函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器實際電源產(chǎn)品實際電源產(chǎn)品發(fā)電機組發(fā)電機組草原上的風力發(fā)電草原上的風力發(fā)

21、電1.7 1.7 受控電源受控電源( (非獨立源非獨立源) )l 電路符號電路符號+受控電壓源受控電壓源1.1.定義定義受控電流源受控電流源 電壓或電流的大小和方向不是給定電壓或電流的大小和方向不是給定的時間函數(shù)，而是受電路中某個地方的電壓的時間函數(shù)，而是受電路中某個地方的電壓( (或電或電流流) )控制的電源，稱受控源?？刂频碾娫矗Q受控源。 電流控制的電流源電流控制的電流源( (CCCS) : : 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù) 根據(jù)控制量和被控制量是電壓根據(jù)控制量和被控制量是電壓u 或電流或電流i，受控源，受控源可分四種類型：當被控制量是電壓時，用受控電壓可分四種類型：當被控制量是電壓時，用受

22、控電壓源表示；當被控制量是電流時，用受控電流源表示。源表示；當被控制量是電流時，用受控電流源表示。2.2.分類分類四端元件四端元件12 ii輸出：受控部分輸出：受控部分輸入：控制部分輸入：控制部分 i1+_u2i2_u1i1+g: 轉(zhuǎn)移電導轉(zhuǎn)移電導 電壓控制的電流源電壓控制的電流源( ( VCCS)12gui 電壓控制的電壓源電壓控制的電壓源( (VCVS) )12 uu: 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) gu1+_u2i2_u1i1+i1u1+_u2i2_u1+_ 電流控制的電壓源電流控制的電壓源 ( ( CCVS ) )12riu r : 轉(zhuǎn)移電阻轉(zhuǎn)移電阻 例例bicibcii 電路模型電路模型

23、ibicibri1+_u2i2_u1i1+_3.3.受控源與獨立源的比較受控源與獨立源的比較 獨立源電壓獨立源電壓( (或電流或電流) )由電源本身決定，與電路中由電源本身決定，與電路中其它電壓、電流無關，而受控源電壓其它電壓、電流無關，而受控源電壓( (或電流或電流) )由由控制量決定?？刂屏繘Q定。 獨立源在電路中起獨立源在電路中起“激勵激勵”作用，在電路中產(chǎn)生作用，在電路中產(chǎn)生電壓、電流，而受控源是反映電路中某處的電壓電壓、電流，而受控源是反映電路中某處的電壓或電流對另一處的或電流對另一處的電壓或電流電壓或電流的控制關系，在電的控制關系，在電路中不能作為路中不能作為“激勵激勵”。例例求：電

24、壓求：電壓u2解解Ai2361Viu4610 65125i1+_u2_i1+-3u1=6V1.8 1.8 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律 ( (KCL) )和基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電壓定律( (KVL) )。它反映。它反映了電路中所有支路電壓和電流所遵循的基本了電路中所有支路電壓和電流所遵循的基本規(guī)律，是分析集總參數(shù)電路的基本定律。規(guī)律，是分析集總參數(shù)電路的基本定律?；鶢柣舴蚨膳c元件特性構(gòu)成了電路分基爾霍夫定律與元件特性構(gòu)成了電路分析的基礎。析的基礎。1.1.幾個名詞幾個名詞電路中通過同一電流的分電路中通過同一電流的分支。支。元

25、件的連接點稱為結(jié)點。元件的連接點稱為結(jié)點。b=3an=4b+_R1uS1+_uS2R2R3 支路支路電路中每一個兩端元件就電路中每一個兩端元件就叫一條支路。叫一條支路。i3i2i1 結(jié)點結(jié)點b=5或三條以上支路的連接點稱為或三條以上支路的連接點稱為結(jié)點。結(jié)點。n=2注意兩種定義分別用兩種定義分別用在不同的場合。在不同的場合。由支路組成的閉合路徑。由支路組成的閉合路徑。兩結(jié)點間的一條通路，由支路構(gòu)成。兩結(jié)點間的一條通路，由支路構(gòu)成。對平面電路，其內(nèi)部不含任對平面電路，其內(nèi)部不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔。何支路的回路稱網(wǎng)孔。l=312 路徑路徑 回路回路 網(wǎng)孔網(wǎng)孔網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。網(wǎng)孔是

26、回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。+_R1uS1+_uS2R2R3注意32.2.基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律(KCL) 令流入為令流入為“-”-”流出為流出為“+”有：有：例例 在集總參數(shù)電路中，任意時在集總參數(shù)電路中，任意時刻，對任意結(jié)點流出（或流入）刻，對任意結(jié)點流出（或流入）該結(jié)點電流的代數(shù)和等于零。該結(jié)點電流的代數(shù)和等于零。mti1b0)(出入ii or流進的電流等流進的電流等于流出的電流于流出的電流1i5i4i3i2i054321 iiiii54321iiiii 意義：在任意穩(wěn)定電路中，意義：在任意穩(wěn)定電路中， 電流處處連續(xù)。電流處處連續(xù)。或：或： 穩(wěn)定運行的電路，始穩(wěn)定運行的電路，始

27、終處于動平衡狀態(tài)。終處于動平衡狀態(tài)?；颍?641iii例例0542iii0653iii三式相加得：三式相加得：0321iii KCL不僅適用于電路，且適用于電路中包含不僅適用于電路，且適用于電路中包含有多個結(jié)點的任一閉合面。有多個結(jié)點的任一閉合面。1 3 25i6i4i1i3i2i結(jié)論KCL是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任意結(jié)點處的反映；意結(jié)點處的反映； KCL是對結(jié)點處支路電流加的約束，與支路上是對結(jié)點處支路電流加的約束，與支路上 接的是什么元件無關，與電路是線性還是非線接的是什么元件無關，與電路是線性還是非線性無關；性無關；KCL方程是按電流參考方向

28、列寫的，與電流實方程是按電流參考方向列寫的，與電流實際方向無關。際方向無關。明確3 3. .基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律(KVL)mtu1b0)(升降uuor 在在集總參數(shù)電路中，任一時刻，集總參數(shù)電路中，任一時刻，沿任一回路，沿任一回路，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零。意義：穩(wěn)定運行的電路，遵循能量守恒。意義：穩(wěn)定運行的電路，遵循能量守恒。US1R1US4R4R3R2U1US1+U2+U3+U4+US4= 0 U1+U2+U3+U4=US1 US4或：或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4U3U1U2U4I4I2I3I1_+_KVL也適用于電路中任一假想的回路。也適用于電路中任一假想的回路。注意 標定各元件電壓參考方向；標定各元件電壓參考方